馬杰 尹姍 金榮花 李勇 任宏昌 梅雙麗

1 國家氣象中心，北京 100081

2 中國氣象局—河海大學水文氣象研究聯(lián)合實驗室，北京 100081

1 引言

眾所周知，隨著數(shù)值預報模式性能和分辨率的不斷提升，現(xiàn)代天氣預報越來越依賴數(shù)值模式的輸出結果。目前，歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasting，簡稱ECMWF）和美國環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，簡稱NCEP）的全球確定性和集合預報模式是最先進的兩個主流業(yè)務模式。前者的確定性預報時效有240小時，水平分辨率0.1°（約10公里）。后者預報時效16天，前10天分辨率13公里，11～16天時效分辨率34公里。2019年開始二者均實現(xiàn)了每日發(fā)布4次預報產(chǎn)品（金榮花等, 2019）。當前在我國國家級和省級業(yè)務預報臺站中，二者應用非常廣泛（李澤椿等, 2014; 薛諶彬等, 2019）。因此，分析總結其預報能力，尤其針對重大強降雨過程的檢驗評估，無疑將有助于提升未來預報準確率，對防災減災和氣象決策服務均具有十分重要的參考意義。眾多業(yè)務和科研工作者圍繞實際業(yè)務需求，針對數(shù)值模式檢驗評估也進行了大量的研究（吳志鵬等, 2014; 潘留杰等, 2014）。如公穎（2010）從雨帶結構、強度和位置等方面對多個模式的定量降水效果進行了檢驗評估。王雨和閆之輝（2007）對比了多個檢驗方案對降水評估效果的影響。孫軍等（2018）圍繞北京地區(qū)多次弱降水過程，利用多個業(yè)務數(shù)值模式分析了預報偏差及可能原因。

暴雨及其造成的洪澇災害是我國主要自然災害之一。每年6月初到7月間的江淮梅汛期，是我國防汛關鍵時段，暴雨頻繁、降水量大，雨日集中（Tao and Chen, 1987; 張德二和王寶貫, 1990; 魏鳳英和張京江, 2004; 王遵婭和丁一匯, 2008; 李勇等,2017）。據(jù)統(tǒng)計，江淮梅雨降水占到了夏季總降雨量的45%左右。研究表明，梅雨雨帶在30°N附近通常呈準緯向的分布，并具有狹長的帶狀特點（徐衛(wèi)國和江靜, 2004; Ding and Chan, 2005; 司東等,2010），而在朝鮮半島和日本地區(qū)雨帶呈東—東北向（丁一匯等, 2007; 蘇同華和薛峰, 2010）。梅汛期雨帶位置的變化和停滯時間往往決定著江淮地區(qū)的降水空間分布，如當雨帶偏南時，即“南澇北旱”，江淮流域會出現(xiàn)旱情；相反，當雨帶北移時，江淮流域會出現(xiàn)嚴重洪澇（陳麗娟等, 2019）。因此，準確預報梅雨雨帶的位置在業(yè)務預報中具有重要意義。

2016年6月30日至7月4日，出現(xiàn)了當年入汛以來最強的降雨過程。自西南地區(qū)東部至長江中下游地區(qū)連續(xù)數(shù)日普降大到暴雨。以武漢為例，持續(xù)5天的強降雨，使得累計降雨量達到了560.5毫米，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。此次降雨過程受到了國務院防汛部門以及氣象部門的高度重視，然而多個業(yè)務數(shù)值模式，包括ECMWF和NCEP模式，對主雨帶位置和降雨強度的預報，在中短期時效均出現(xiàn)了明顯偏差。ECMWF連續(xù)多日的確定性和集合預報，持續(xù)穩(wěn)定表明主雨帶的中心將位于江淮至黃淮一帶，而NCEP模式預報卻指出雨帶位置將位于長江以南地區(qū)。什么原因造成了兩家模式出現(xiàn)如此明顯的差異？本文將在對比分析兩家模式性能差異基礎上，分析造成這一現(xiàn)象的原因，以期為未來梅汛期降雨預報提供參考。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文采用了2016年6月24～29日20:00（北京時，下同）起報的ECMWF和NCEP模式的集合和確定性預報資料。集合預報數(shù)據(jù)來自于THORPEX計劃的TIGGE數(shù)據(jù)集（Bougeault et al.,2010）。前者每個預報時次對應51個預報成員，后者成員數(shù)為21個。變量包括分辨率為2°的500 hPa位勢高度場，1°的850 hPa風場以及0.5°的降雨場。時間分辨率為12小時，預報時長360小時。此外，還選取ECMWF確定性模式的500 hPa高度場和850 hPa風場的初始場作為分析場，來揭示降雨過程期間環(huán)流形勢演變特征。實況降雨采用了中國氣象局國家氣象信息中心提供的2016年6月30日至7月4日2472個臺站的逐日降雨資料，這里日降水量指的是08:00至第二天08:00的24小時累計降雨量。

2.2 方法

為定量表征雨帶位置，本文定義了一種雨帶位置指數(shù)。具體計算方法為：（1）計算110°～120°E降雨量的緯向平均值；（2）選取25°～35°N范圍內降雨量緯向平均極大值所在的緯度作為整體雨帶位置（Yin et al., 2019）。由于ECMWF（NCEP）集合預報每個時次對應51（21）個預報成員，每個成員均能計算得到一個雨帶位置值，因而所有預報成員就組成了一個雨帶位置序列，即位置指數(shù)。此外，為便于和預報資料比較，本文還將站點降雨觀測資料利用插值方法，插值到了0.5°×0.5°網(wǎng)格上?；谏鲜鲇陰恢玫亩x，計算得到2016年6月30日至7月4日降雨過程的實況雨帶位置為31.5°N。

2.3 環(huán)流演變特征

由圖1可見，2016年6月29日至7月4日降雨過程期間，在500 hPa高度層上的西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）位置較為穩(wěn)定少動，代表副高的588位勢什米線持續(xù)分布于江南、華南一帶。而在中高緯度地區(qū)，不斷有西風槽自西向東傳播，其與東北冷渦相互配合，引導冷空氣分裂南下。在850 hPa層，西南季風沿副高西北側不斷將暖濕空氣向北輸送，與北方持續(xù)南下的偏北氣流交匯形成一穩(wěn)定切變線，并維持在沿長江一線，使得強降雨不斷產(chǎn)生，最終造成了長江中下游的強降雨過程。

圖1 （a-f）2016年6月29日至7月4日20:00 500 hPa高度場（等值線，單位：dagpm）和850 hPa風場（風矢量，單位：m s-1）分布Fig. 1 Distribution of 500-hPa geopotential height field (isolines, units: dagpm) and 850-hPa wind field (vectors, units: m s-1) at 2000 BJT (Beijing time) from (a-f) June 29 to July 4, 2016

圖2為此次降雨過程期間的逐日降水量分布。由圖可見，主雨帶位于江漢、江淮及江南北部一帶，其中沿長江地區(qū)出現(xiàn)了大到暴雨，部分地區(qū)大暴雨。不難發(fā)現(xiàn)，強降雨中心雖然緩慢東移，但主雨帶位置在南北方向較為穩(wěn)定，造成了多地連續(xù)出現(xiàn)了強降雨天氣，如武漢，在這次降水過程中連續(xù)4天出現(xiàn)了大到暴雨，引發(fā)了城市內澇等災害。

圖2 （a-d）2016年7月1～4日逐日降水量（填色，單位：mm）分布及對應緯向平均值（右側紅色實線，單位：mm；圖中最右側標注出了緯向平均極大值的位置）Fig. 2 Daily precipitation (shaded; units: mm) and the zonal mean precipitation (red line, units: mm; the postion of zonal mean maximum precipitation is marked on the right ordinate) from (a-d) July 1 to July 4, 2016

3 模式預報性能分析

3.1 確定性模式

2016年梅汛期從6月18日開始，截止于7月16日，前后共持續(xù)了29天。圖3給出了整個梅汛期中期預報時效的主雨帶位置預報性能（為更清楚地展現(xiàn)平均差異，該圖使用了9點平滑處理）。由圖可見，ECMWF模式預報的雨帶位置呈現(xiàn)出穩(wěn)定偏北的特征（周寧芳等, 2018），而NCEP模式則表現(xiàn)出偏北、偏南誤差交替出現(xiàn)（圖3）。即前者誤差較為穩(wěn)定，這一特征在業(yè)務預報中也有利于預報員根據(jù)前期模式誤差進行下一時刻的訂正；而后者則無規(guī)律可言。此外，圖3還揭示出隨著預報時效臨近，ECMWF模式預報誤差不斷縮小，雨帶位置不斷接近實況。而NCEP模式在某些時段（如6月30日至7月4日）反而隨預報時效臨近誤差呈擴大趨勢。

圖3 梅汛期主雨帶位置的實況觀測結果和（a）ECMWF模式、（b）NCEP模式不同時效預報結果的對比Fig. 3 Observed and forecasted positions of (a) ECMWF and (b) NCEP model of rain bands at different leading time in Meiyu period

對于6月30日至7月4日極端降雨過程，圖4進一步分析了不同預報時效的110°～120°E緯向平均的降雨量分布，從中可以看到降雨強度及雨帶位置的預報性能變化特征。由圖4a同樣可見，預報時效越長，ECMWF模式預報雨帶位置越偏北、雨強越弱。6月24日（提前時效144小時）預報的主雨帶位置北界達到了34°N附近，即強降雨涵蓋了黃淮地區(qū)，較實況的長江沿岸（31.5°N）偏北了2～3個緯距。之后隨著預報時效臨近，雨帶位置雖不斷向南調整，但直至臨近的24小時時效（29日的預報），雨帶位置依然偏北了1個緯距。一方面說明ECMWF模式對此次降雨過程的可預報性較低，另一方面揭示出討論此次降雨過程誤差的產(chǎn)生，將有助于解釋整個梅汛期內模式預報性能較低原因。對比而言，NCEP模式預報的主雨帶位置（圖4b）誤差更小。6月24日給出預報，雨帶在經(jīng)向上的分布雖較寬，但位置卻較ECMWF偏南，更接近于實況。自26日后，預報的雨帶位置更是持續(xù)位于30°N附近。而對降雨強度的預報，NCEP模式雖依然較實況偏弱，但卻較ECMWF偏強，且27日后強度較為穩(wěn)定。綜上所述，針對此次降雨過程的雨帶位置和降雨強度的確定性預報，NCEP模式優(yōu)于ECMWF模式。

圖4 不同時刻預報的緯向平均（110°～120°E）的2016年6月30日至7月4日累計降水量（單位：mm，陰影）分布：（a）ECMWF模式結果；（b）NCEP模式結果。橫坐標為不同起報日期（從左到右對應2016年6月24日20:00至29日20:00）以及實況（最右側）Fig. 4 Zonal average (110°-120°E) of the accumulated precipitation from June 30 to July 4, 2016, forecasted by (a) the ECMWF model and (b) the NCEP model initialized at different time. The x-axis represents consecutive runs from 2000 BJT 24 to 2000 BJT 29 June 2016 and the observed zonal mean precipitation totals in the right edge

3.2 集合模式

圖5a-b分別為ECMWF和NCEP模式給出的集合平均的6月30日至7月4日過程累計降雨量水平分布。比較發(fā)現(xiàn)二者差異明顯。首先，ECMWF模式的雨帶位置較NCEP（圖5b）和實況（圖5c）均顯著偏北，尤其在115°E以東地區(qū)，大于100 mm的雨區(qū)位于黃淮地區(qū)，雨區(qū)北界更是伸展到了沿黃河沿岸。而NCEP模式的雨區(qū)偏南，雨帶位于江淮地區(qū)。二者預報結果相差了2～3個緯距。若與實況觀測（圖5c）相比，最大偏差更是達到了4個緯距左右。其次，由圖5c的實況觀測可見，沿長江中下游地區(qū)的累計降水量超過了250 mm，然而兩模式的集合平均強度均明顯偏弱。最后，從雨帶水平分布特征看，ECMWF模式的雨帶更為緊湊，其經(jīng)向范圍更小。同圖4一樣，集合平均的結果表明了NCEP模式更接近于實況。

圖5 2016年6月29日20:00起報的（a）ECMWF和（b）NCEP模式集合平均的6月30日至7月4日過程累計降雨量分布與（c）過程累計降雨量實況Fig. 5 Accumulated precipitation forecasted by (a) the ECMWF model, (b) the NCEP model initialized at 2000 BJT June 29, and (c) the observations from June 30 to July 4, 2016

圖6a為ECMWF模式的51個集合成員預報此次降水過程的雨帶位置。由圖可見，大部分成員給出的雨帶位置較實況依然明顯偏北，只有個別成員偏南。與之相反，NCEP模式的絕大部分集合成員預報的雨帶則偏南（圖6b）。

在圖6a的基礎上，本文對雨帶位置指數(shù)進行了標準化和排序，選取大于兩個標準差的成員作為偏差組；小于0.24個標準差的成員作為準確組。二者分別涵蓋了15個成員，準確組為14、38、39、51、4、5、7、12、15、20、27、28、29、43、48，偏差組對應11、24、36、40、41、42、44、47、49、2、13、18、22、32和37號成員。每日最準確成員與圖6中整體降雨過程的準確成員是不固定的。進一步分析了兩組成員的逐日演變差異（圖7a）。不難看到，在逐日變化中ECMWF模式預報的雨帶位置在大多數(shù)時段依然表現(xiàn)為偏北誤差。而對于NCEP模式，圖7b表明其預報的雨帶位置在31°N附近擺動。后者與實況觀測（圖2）的雨帶位置更為一致。此外，在降雨過程的大多數(shù)時段ECMWF模式的偏差組預報的雨帶位置較準確組偏北，且最大偏差出現(xiàn)在7月1～2日，說明ECMWF對整個降雨過程的預報誤差主要來源于這兩日（圖7a）。而NCEP模式兩組成員之間的差異不穩(wěn)定，7月1日偏差組預報的雨帶位置偏北，而在7月2日和4日則以偏南誤差為主（圖7b）。不難看出，圖7與圖3均揭示出ECMWF模式對雨帶位置的預報呈持續(xù)穩(wěn)定的偏北。而NCEP模式誤差不穩(wěn)定，呈現(xiàn)偏北、偏南交替出現(xiàn)。

圖6 2016年6月29日20:00起報的（a）ECMWF模式51個成員和（b）NCEP模式21個成員集合預報的此次降雨過程的雨帶位置序列Fig. 6 Rain belt location serials of this precipitation event forecasted by (a) 51 members of the ECMWF model and (b) 21 members of the NCEP model initialized at 2000 BJT June 29, 2016

圖8為兩組成員在7月1日的降水量水平分布。由圖8b可見，ECMWF偏差組的主雨帶沿黃河下游分布，而準確組主雨帶分布于江淮地區(qū)（圖8a），二者雨帶位置相差了2～3個緯距（200～300 km）。此外，偏差組降雨強度更大，圖8b中顯示出成片降雨強度超過100 mm的大暴雨區(qū)。NCEP模式兩組成員的雨帶位置差異較?。▓D8c-d）。同樣，它的偏差組降雨較準確組更強。由此，兩集合模式均表明當預報成員給出的雨帶位置預報越偏北，對應的降雨強度將更大。

圖8 2016年7月1日（a、b）ECMWF模式和（c、d）NCEP模式準確組（左列）與偏差組（右列）成員模擬的降雨量分布。起報時間為6月29日20:00Fig. 8 Precipitation on July 1, 2016 forecasted by (a, b) the ECMWF model and (c, d) the NCEP model initialized at 2000 BJT June 29, 2016:(a, c) Correct group, (b, d) error group

在7月2日兩個模式的預報誤差剛好相反，ECMWF模式偏北，而NCEP模式偏南（圖7b）。圖9分別顯示了7月2日兩個模式的準確組和偏差組降雨量水平分布。由圖可見，相較7月1日，兩個模式均揭示出了雨帶將緩慢南移趨勢。同樣，ECMWF模式的偏差組雨強較準確組略偏大（圖9ab）。而NCEP模式則表明，當雨帶偏南時降雨偏弱。

圖7 2016年6月29日20:00起報的（a）ECMWF模式和（b）NCEP模式準確組（點線）、偏差組（短虛線）成員及實況觀測（實線）的雨帶位置逐日變化Fig. 7 Daily rain belt location variation in the correct group (dotted line), error group (dashed line), and observation (solid line), forecasted by (a) the ECMWF model and (b) the NCEP model initialized at 2000 BJT June 29, 2016

圖9 同圖8，但為7月2日Fig. 9 Same as Fig. 8, but for July 2

綜上所述，對雨帶位置的預報，雖然NCEP模式總體優(yōu)于ECMWF，但這是由于NCEP模式的誤差呈現(xiàn)偏北、偏南交替出現(xiàn)，使得平均的位置誤差較小造成的。在雨帶逐日演變以及誤差穩(wěn)定性方面，ECMWF模式卻明顯好于NCEP模式，其雨帶預報呈穩(wěn)定偏北，且降雨強度更接近于實況。此外，兩家模式的集合成員均揭示出，當預報成員預報的雨帶位置偏北時，降雨強度更大，反之亦然。

4 誤差原因分析

圖10計算了7月1日的位置指數(shù)與多個時次500 hPa高度場之間的相關。圖10d給出了7月1日的雨帶位置指數(shù)與同期500 hPa位勢高度場所計算的相關系數(shù)分布。由圖可知，500 hPa層上的西風槽強度與降雨雨帶位置關系密切。即當預報的西風槽偏強時，雨帶位置偏北，反之亦然（Ma et al.,2019）。圖10a-c為超前時刻的高度場與7月1日雨帶位置之間的相關系數(shù)，其中圖10a對應初始時刻。由圖可見兩組成員在青藏高原東北側（青海到四川西部）的西風槽區(qū)域對應著明顯負相關系數(shù)。說明初始時刻（6月29日20:00）高空槽強度的微小偏差與7月1日江淮地區(qū)降雨位置存在密切聯(lián)系。之后，隨著西風槽東移出青藏高原（圖10b-c），西風槽明顯增強（兩組成員預報的西風槽區(qū)強度差異以及對應的相關系數(shù)更加明顯）。當西風槽移動至江淮流域時，造成了降雨落區(qū)與強度之間的差異（圖10d）。

圖10 ECMWF模式預報的2016年7月1日雨帶位置指數(shù)與2016年6月（a）29日20:00、（b）30日08:00、（c）30日20:00和（d）7月1日08:00 500 hPa高度場（單位：dagpm）的相關系數(shù)（填色）分布。藍色實線（藍色虛線）為準確組（偏差組）成員的500 hPa高度場，黑色線為兩組高度差值場，起報時間為6月29日20:00Fig. 10 Lag correlation coefficients (shaded) between the rain belt location index (RBI) on July 1, 2016 and the 500-hPa geopotential height at different times forecasted by the ECMWF model: (a) 2000 BJT June 29, (b) 0800 BJT June 30, (c) 2000 BJT June 30, and (d) 0800 BJT July 1, 2016.Blue solid (dashed) lines: the 500-hPa geopotential height for the correct (error) group, black contours: difference field between the two groups.Forecast initial time: 2000 BJT 29 June

圖11進一步分析了兩組成員預報的850 hPa風場差異。由圖11a和b可見，當ECMWF預報的西風槽偏深時，對應850 hPa層低渦強度偏強，表現(xiàn)為低渦東側切變線南側（北側）的偏南季風（偏北風）偏強，同時切變線位置也偏北，因而造成了降雨偏強、雨區(qū)位置偏北（圖8a和b）。這一結論同樣存在于NCEP模式7月1日的預報中（圖11c-d和圖8c-d）。反之，當西風槽預報偏弱時，850 hPa層偏南季風偏弱、切變線偏南（圖11ef），造成降雨偏弱、雨區(qū)偏南（圖9c-d）。

圖11 （a、b）ECMWF模式預報的2016年7月1日08時500 hPa高度場，以及（a）準確組和（b）偏差組850 hPa風場（黑色風矢量）分布。藍色實線（虛線）對應準確組（偏差組）高度場，紅色實線（虛線）分別為準確組（偏差組）副熱帶高壓位置，藍色粗實線為其東側切變線位置，（b）中陰影為偏差組與準確組經(jīng)向風速的差值，起報時間為6月29日20:00。（c、d）和（e、f）同（a、b），但分別為NCEP模式7月1日和2日的情形Fig. 11 (a, b) 500-hPa geopotential height (contour) and 850-hPa wind [black wind vector, (a) correct group, (b) error group] on July 1, 2016 forecasted by the ECMWF model initialized at 20000 BJT June 29. The solid (dashed) blue lines: geopotential height for the correct (error) group, the solid (dashed) red line: the position of subtropical high in the correct (error) group, the solid bold blue lines: the position of shear line, shadings in (b):the difference of 850-hPa meridional winds between the correct group and error group. (c) and (d) are the same as (a) and (b), but for the NCEP model on July 1. (e) and (f) are the same as (a) and (b), but for the NCEP model on July 2

綜上所述，此次降雨過程中西風槽預報誤差是造成長江中下游地區(qū)雨帶位置出現(xiàn)誤差的主要原因。當西風槽偏強時，對應雨帶偏北、降雨強度偏強，反之亦然。具體到ECMWF模式，其西風槽強度預報持續(xù)偏強（高度場誤差表現(xiàn)為持續(xù)的負值），對應的850 hPa層低渦強度穩(wěn)定偏強、切變線位置偏北，造成了雨區(qū)位置偏北、降雨偏強。而NCEP模式，其7月1～2日預報的雨帶位置呈偏北、偏南差異，源于對西風槽的預報偏強、偏弱，造成了850 hPa層切變線位置偏北、偏南以及切變線南側季風偏強和偏弱。

5 總結和討論

2016年6月30日至7月4日降雨是當年入汛后最強的一次極端降雨過程。在實際業(yè)務預報中，針對其雨帶位置的預報，無論中期還是臨近時效均出現(xiàn)了較明顯的預報誤差。為此，本文基于ECMWF和NCEP模式的確定和集合預報資料，比較二者的預報性能差異及其出現(xiàn)的原因。得出以下結論：

（1）針對此次降雨過程整體雨帶位置的預報，雖然NCEP的確定性和集合平均結果較ECMWF更為準確。但進一步分析卻表明，NCEP預報誤差在逐日變化中呈現(xiàn)偏北、偏南交替出現(xiàn)，因而造成了平均的預報誤差較小。而ECMWF模式無論確定性模式還是大部分集合成員，雨帶預報呈現(xiàn)穩(wěn)定偏北誤差。

（2）基于集合預報成員的分組對比分析表明，當雨帶位置預報偏北時，對應降雨強度偏強，反之亦然。這一結論在NCEP模式和ECMWF模式中均存在。

（3）500 hPa高度場的西風槽預報差異是造成雨帶位置誤差的重要原因。當西風槽預報偏強時，雨帶位置偏北、降雨強度偏強。反之，當西風槽強度偏弱時，雨帶位置偏南、降雨強度偏弱。NCEP模式西風槽強度預報偏強、偏弱交替出現(xiàn)，對應了其雨帶位置偏北、偏南，而ECMWF模式西風槽預報持續(xù)偏強，造成了雨帶位置的預報穩(wěn)定偏北。

雖然本工作只討論了2016年6月30日至7月4日的降雨過程，但分析中利用了ECMWF和NCEP集合模式的連續(xù)多個預報時次資料，且前者有51個成員、后者有21個成員，因此結論具有一定的代表性。ECMWF模式預報的穩(wěn)定性，使得其在業(yè)務預報中更受歡迎。而NCEP模式的預報雖存在明顯不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得基于其進行模式檢評估和訂正困難較大。但另一方面，其集合平均結果卻明顯優(yōu)于ECMWF模式預報，更接近于實況觀測，揭示在未來的預報實踐中，還需要進一步研究和討論二者的具體差異。此外，本工作還表明數(shù)值模式初始場上500 hPa層西風槽微小的差異在造成雨帶位置和強度誤差的重要作用。當其東移出青藏高原時，西風槽強度及對應的誤差同時突然增強，是什么原因（如對流潛熱或地形影響）造成了這一現(xiàn)象？除了初始場誤差外，數(shù)值模式自身預報誤差，對流參數(shù)化、潛熱釋放等因素，造成了什么樣的影響，這些均有待于進一步研究。